filtro de harmônicos híbridos - udesc - · pdf file2016-09-08 ·...

Filtro de Harmnicos Hbridos

1

Disciplina: Condicionadores de Energia- CEN

Professor: Marcello Mezaroba

Mestrandos: Everton Peres Correa

Marcus Vieira Soares

2016

Filtros de Harmnicos Hbridos

Composto por um filtro passivo sintonizado e um filtro ativo;

Apontados como soluo plausvel para compensao harmnica com

baixo custo e elevada eficincia;

O filtro ativo possui baixa potncia nominal enquanto que o filtro passivo

processa a maior parcela de potncia;

O filtro passivo cria um caminho de baixa impedncia para componentes

harmnicas de corrente na qual encontra-se sintonizado;

Quando um filtro passivo paralelo opera com um filtro ativo paralelo visa-

se a compensao de harmnicos na corrente;

Quando o mesmo opera com um filtro ativo srie visa-se a compensao

de harmnicos na tenso;

A metodologia de projeto de potncia de filtro hbridos similar s de

filtro passivos shunt e filtro ativos, porm procura-se um menor

processamento de potncia pelos dispositivos chaveados;

3

Filtro Ativo Paralelo + Filtro Ativo Sintonizado

Caractersticas:

Filtro Passivo compensa harmnicos de baixa frequncia;

Filtro Ativo compensa harmnicos de alta frequncia;

Potncia do FAP reduzida;

Tenso do FAP a mesma do PCC;

3

4

Equaes para os projeto de Filtro passivos shunt

21

2222

12

1

22

1 IKILhIRIKRIKI

IKR hhshshs

hh

hh

h

QRL hh

h

hh

Lh

QRC

22

h: ordem do harmnico

Rh: resistncia srie do filtro para o harmnico h

Kh: valor mximo permitido para o harmnico h (% de I1)

I1: valor eficaz da fundamental da corrente do alimentador

Ih: valor eficaz do harmnico h da corrente do alimentador

Rs, Ls: resistncia e indutncia srie do alimentador

: frequncia angular da tenso do alimentador

Resistncia do

filtro sintonizado:

Indutncia do

filtro sintonizado:

Capacitncia do

filtro sintonizado:

Malha de Controle

Malha de controle do FAP (Similar a da operao singular)

5

Especificaes dos Dispositivos

6

0 (potncia da carga) 30,06 k

(Frequncia de comutao) 50 k

0 (Tenso do barramento CC) 800V

0(Ondulao de tenso mxima no barramento) 1%

(Ondulao de corrente mxima) 5%

fres (Frequncia de ressonncia do filtro LC) 2150 Hz

(Potncia Nominal do Filtro Ativo) 3 kVA

(Potncia nominal do trafo) 45

(Impedncia do trafo) 6%

(Potncia nominal das cargas) 45

Carga resistiva 20%

Carga RL 30%

Retificador 3 com filtro capacitivo e carga RC 30%

Retificador 3 controlado com carga L (=60) 20%

Equaes de Projeto FAP

7

2

/ 3746

2 .

oo

b b

PC F

f V V

8674

bMIN

L s

VL H

I f

16,333

2ns s

s s

f C FL C

64

ss s

ns s

RR

f L

Planta de Corrente:

_

( )( )

( )

fs bis PWM i s

fss

i s VG s K K

sLd s

1 1

k 2

SV rdVT

SI B B

K VG

V s C

Planta de Tenso de Barramento

1 1

k 2

SVVD

SI B

KG

s C

Planta de Tenso Diferencial

Capacitor do barramento(Co):

Indutor do Filtro de sada (Lf):

Capacitor do Filtro de Sada (Cf):

Resistor do Filtro de Sada (Rf):

Dimensionamento de componentes Modelos das plantas a serem

controladas

Diagramas de bode

Malha da tenso total de barramento Malha da tenso diferencial

Para a planta de corrente foi utilizado um ganho do tipo proporcional unitrio.

-100

-50

0

50

100

150

Ga

nho

(d

B)

10-2

10-1

100

101

102

103

104

-180

-135

-90

-45

0

Fa

se

(d

eg

)

Bode Diagram

Frequncia (Hz)

Gvt

Cvt

FTMAvt

-100

-50

0

50

100

150

Ga

nho

(d

B)

10-2

10-1

100

101

102

103

104

-180

-135

-90

-45

0

Fa

se

(d

eg

)

Bode Diagram

Frequncia (Hz)

GV

CV

FTMAv

Simulao

Circuito do sistema a ser compensado

9

Simulao

Simulao

Malha de Controle Implementada no Circuito de Simulao

11

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmnicas

perc

entu

al [%

]

Harmnicas da corrente rede sem compensao

Irede

IEEE 519

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-200

-400

200

400

Iph_R V_Ph_R

Tenso e Corrente No Compensado

Corrente e Tenso Compensado com o Filtro Sintonizado

13

THDi

2,06%

THDv

3,16%

0

-200

-400

200

400

V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

Iph_R Iph_S Iph_T

0

-20

-40

20

40

I_Cap_R I_Cap_S I_Cap_T

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

IcargaR Iph_R I_Cap_R

Corrente

dos filtros

passivos

Tenso e Corrente Compensado com o FAP

14

0

-200

-400

200

400

V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

Iph_R Iph_S Iph_T

0-10-20-30

102030

I_Cap_R IconvR

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

Iph_R IcargaR IconvR+I_Cap_R

THDi

1,71%

THDv

2,37 %

Amplitude dos Harmnicos de Corrente e Tenso compensado FHP

16

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmnicas

per

cen

tual

[%

]Harmnicas da tenso do PAC rede com compensao

VPAC

IEEE 519

Prodist

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmnicas

per

cen

tual

[%

]

Harmnicas da corrente rede com compensao

Irede

IEEE 519

Filtros Hbridos (ativo srie + passivo shunt)

16

Os filtros passivos shunt apresentam uma impedncia alta na frequncia

fundamental e uma impedncia muito baixa para os harmnicos, evitando

que eles circulem pela impedncia da rede;

No entanto, certo pontos fracos so apresentados:

Seu funcionamento altamente dependente da impedncia da fonte,

que no precisamente conhecida;

Pode entrar em ressonncia com a impedncia da fonte e assim

ampliar a amplitude dos harmnicos;

A associao do filtro passivo shunt com o filtro ativo srie reduz as

deficincias que uma ou outra estrutura operadas isoladamente possam

ter.

A impedncia do filtro passivo deve ser menor que a impedncia da fonte

na frequncia de sintonia para permitir a atenuao requerida.

O filtro ativo funciona como uma alta impedncia nas frequncias de

sintonia do filtro passivo;

Filtros Hbridos (ativo srie + passivo shunt)

Topologia bsica (esquema unifilar e circuito equivalente monofsico)

Filtros Hbridos (ativo srie + passivo shunt)

Para o projeto de controle do filtro ativo necessrio obter apenas

uma parcela de componentes das harmnicas, assim evitando de

corrigir a componente da fundamental.

Utiliza-se, portanto, um filtro rejeita faixa de segunda ordem na

medio da corrente da carga

Um fator K determinado de modo a emular uma resistncia para

as mltiplas frequncias, permitindo que a impedncia da fonte

seja maior em relao a impedncia do filtro passivo shunt.

Variveis de Projeto

19

Parmetros Valores

Vs (Tenso do alimentador fase-neutro) 230 V

frd (Frequncia da Rede) 50 Hz

Rs (Resistncia srie da rede) 70,56m

Ls (Indutncia srie da rede) 673,54H

(Ondulao de corrente mxima) 5%

fres (Frequncia de ressonncia do filtro LC) 2150 Hz

So (Potncia Total das Cargas) 45kVA

Porcentagem de So Cargas

20% Resistiva

30% Resistiva-indutiva

30% Retificador 3 com filtro C e carga resistiva

20% Retificador controlado com carga fortemente

indutiva (=60)

8674

bMIN

L s

VL H

I f

16,333

2ns s

s s

f C FL C

64

ss s

ns s

RR

f L

Planta de tenso do transformador (com

relao unitria) por razo cclica do FAS:

Indutor do Filtro de sada (Lf):

Capacitor do Filtro de Sada (Cf):

Resistor do Filtro de Sada (Rf):

Equaes do projeto do FAS

11

)(2

sCRsCL

VsG

ff

ff

cc

Diagramas de bode

-150

-100

-50

0

50

100

Ga

nho (

dB

)

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90